POL

Использование eGaN-транзисторов для построения источников питания. Часть 1: POL-источник питания 48/12 В на базе EPC2045 и модулей EPC9205

Данный цикл статей посвящен вопросам создания источников питания на базе нитрид-галлиевых транзисторов и модулей. В статье кратко рассматриваются преимущества использования eGaN-транзисторов EPC2045 и модулей EPC9205 при построении POL-источников питания 48/12 В
465
В избранное

Данный цикл статей посвящен вопросам создания источников питания на базе нитрид-галлиевых транзисторов и модулей. В статье кратко рассматриваются преимущества использования eGaN-транзисторов EPC2045 и модулей EPC9205 при построении POL-источников питания 48/12 В.

Зачем нужен преобразователь 48/12 В?

В телекоммуникационном и промышленном оборудовании очень часто применятся система распределенного питания, в которой каждый отдельный блок питается от общей шины. Обычно используются напряжения шины 24 и 48 В. Для преобразования напряжения 24 В или 48 В до нужного уровня, например, 5 В или 12 В, каждый блок нуждается в собственном DC/DC-регуляторе. При этом современные приложения требуют постоянного увеличения плотности мощности, то есть повышения выходной мощности и одновременного уменьшения габаритов. В результате разработчики импульсных DC/DC-преобразователей постоянно сталкиваются с проблемой отвода тепла, которую не всегда удается решить при использовании традиционных кремниевых силовых ключей. Именно в таких случаях переход на нитрид-галлиевые транзисторы позволяет добиваться требуемых показателей эффективности и удельной мощности.

Например, для создания компактного, бюджетного, высокоэффективного неизолированного DC/DC-преобразователя, обеспечивающего понижение входного напряжения с 48 В до 5 В или 12 В, идеально подходят eGaN-транзисторы EPC2045. В частности модули DrCaN EPC9205 на базе EPC2045, при работе в составе синхронного понижающего преобразователя, при входном напряжении 48 В, выходном напряжении 12 В и нагрузке 10 А выдают плотность мощности 1400 Вт/дюйм3. При этом настройка выходного напряжения может выполняться в диапазоне 5…12 В, а максимальный выходной ток достигает 14 А.

eGaN-транзисторы EPC2045

Фотография нитрид-галлиевого транзистора EPC2045 представлена на рис. 1. EPC2045 является eGaN-транзистором пятого поколения. Он имеет рейтинг напряжения 100 В, сопротивление открытого канала 7 мОм и постоянный выходной ток до 16 А. Площадь EPC2045 оказывается в десять раз меньше, чем площадь сопоставимого кремниевого МОП-транзистора с аналогичными характеристиками. Кроме отличных статических показателей EPC2045 обеспечивает отличные динамические свойства: высокую рабочую частоту, низкие коммутационные потери, минимальную длительность переключений. Именно по этой причине данный транзистор является отличным выбором для создания высокоэффективных и компактных источников питания.

eGaN-транзистор EPC2045 с рейтингом напряжения 100 В и сопротивлением канала 7 мОм

Рис. 1. eGaN-транзистор EPC2045 с рейтингом напряжения 100 В и сопротивлением канала 7 мОм

Силовой модуль EPC9205

Силовой модуль EPC9205 построен по схеме синхронного понижающего преобразователя на базе транзисторов EPC2045 и имеет габаритные размеры всего 22 х с13,5 мм (рис. 2).

Силовой оценочный модуль EPC9205

Рис. 2. Силовой оценочный модуль EPC9205 может похвастаться удельной мощностью 1400 Вт/ дюйм3 при входном напряжении 48 В, выходном напряжении 12 В и нагрузке 10 А

Блок-схема модуля EPC9205 представлена на рис. 3. Модуль имеет в своем составе полумост из силовых транзисторов EPC2045, драйвер uP1966A от компании uPI Semiconductor Corp., керамические входные и выходные конденсаторы, силовой дроссель, датчик тока INA196 от Texas Instruments и датчик температуры TC1047A от Microchip.

Блок-схема модуля EPC9205 содержит силовой полумост на базе транзисторов EPC2045

Рис. 3. Блок-схема модуля EPC9205 содержит силовой полумост на базе транзисторов EPC2045

Сверхкомпактные размеры модуля объясняются преимуществами, которые дают eGaN-транзисторы EPC2045. Низкие коммутационные потери и низкие потери проводимости EPC2045 позволяют работать с высокой частотой переключений (номинал 700 кГц), а, следовательно, задача фильтрации напряжения на выходе преобразователя существенно упрощается. Речь идет о том, что в составе выходного фильтра могут быть использованы компактные дроссели и конденсаторы фильтра с меньшим номиналом без ухудшения стабильности выходного напряжения.

Проверка эффективности модулей EPC9205

Чтобы убедиться в эффективности модуля EPC9205, были проведены измерения КПД DC/ DC-преобразователя 48/12 В при различных выходных токах.

При работе с входным напряжением 48 В, выходным напряжением 12 В и частотой коммутации 700 кГц DC/DC-преобразователь на базе модуля EPC9205 достигает пикового КПД 96% при нагрузке 10 А. Зависимость КПД от нагрузочного тока представлена на рис. 4.

Зависимость КПД DC/DC-преобразователя 48/12 В на базе модуля EPC9205 от нагрузочного тока при частоте переключений 700 кГц

Рис. 4. Зависимость КПД DC/DC-преобразователя 48/12 В на базе модуля EPC9205 от нагрузочного тока при частоте переключений 700 кГц

Модуль EPC9205 также способен формировать выходные напряжения до 5 В. Зависимость КПД DC/DC-преобразователя на базе модуля EPC9205 от нагрузочного тока при различных выходных напряжениях и частоте коммутаций 500 кГц представлена на рис. 5.

Зависимость КПД DC/DC-преобразователя на базе модуля EPC9205 от нагрузочного тока при различных выходных напряжениях и частоте коммутаций 500 кГц

Рис. 5. Зависимость КПД DC/DC-преобразователя на базе модуля EPC9205 от нагрузочного тока при различных выходных напряжениях и частоте коммутаций 500 кГц

Помехи и перегрев модулей EPC9205

Как уже отмечалось выше, при создании POL-источников питания важно не только обеспечить компактные размеры, но и адекватное тепловыделение. Модули EPC9205 отлично с этим справляются. В частности в DC/DC-преобразователе 48/12 В при токе 10 А максимальная температура полевого транзистора не превышает 100ºC при потоке воздуха 400 LFM. Картина разогрева силового модуля представлена на рис. 6.

Разогрев силового транзистора модуля EPC9205 в DC/DC-преобразователе 48/12 В при токе 10 А и потоке воздуха 400 LFM

Рис. 6. Разогрев силового транзистора модуля EPC9205 в DC/DC-преобразователе 48/12 В при токе 10 А и потоке воздуха 400 LFM

Многие разработчики боятся использовать eGaN-транзисторы из-за ухудшения шумовых характеристик DC/DC-преобразователей и сложности обеспечения электромагнитной совместимости. Дело в том, что высокая скорость изменения напряжений при коммутациях dv/dt, характерная для нитрид-галлиевых транзисторов, является одной из основных причин возникновения синфазных и высокочастотных радиопомех, борьба с которыми оказывается весьма сложной задачей. Однако, как показывает опыт, эта задача вполне решаема при соблюдении рекомендаций по трассировке печатной платы и грамотном выборе развязывающих компонентов.

Возвращаясь к модулям EPC9205, можно отметить их минимальный уровень шумов. Как видно из осциллограмм, представленных на рис. 7, при коммутации транзисторов наблюдается небольшой выброс напряжения и минимальный звон.

Осциллограммы напряжений при коммутации силовых ключей в EPC9205

Рис. 7. Осциллограммы напряжений при коммутации силовых ключей в EPC9205

Стоимость

Большое значение для источников питания имеет стоимость. Перечень используемых компонентов и калькуляция стоимости 1 Вт выходной мощности для модуля EPC9205 представлена в таблице 1. В данном случае речь идет о массовом производстве 500 тысяч штук.

Таблица 1. Перечень используемых компонентов и калькуляция стоимости 1 Вт выходной мощности для модуля EPC9205

Компонент Количество Наименование
Верхний транзистор 1 EPC2045
Нижний транзистор 1 EPC2045
Дроссель 1 IHLP4040DZ-01 2.2uH
Входные конденсаторы 4 C2012X7S2A105M125AB
Выходные конденсаторы 5 C2012X5R1E226M125AC
Драйвер транзисторов 1 uPI1966A
Итого   Менее $0,05 за Ватт


Работа с нагрузкой большой мощности

Рассмотренный однофазный DC/DC-преобразователь 48/12 В на базе EPC9205 является не единственным примером, демонстрирующим эффективность eGaN-транзисторов EPC2045. Оценочная плата EPC9130 позволяет работать с выходным током до 50 А и мощностью до 700 Вт (рис. 8).

Плата EPC9130 представляет собой 5-фазный понижающий синхронный DC/DC-преобразователь с выходным током до 50 А

Рис. 8. Плата EPC9130 представляет собой 5-фазный понижающий синхронный DC/DC-преобразователь с выходным током до 50 А

Блок-схема платы EPC9130 изображена на рис. 9. Плата представляет собой 5-фазный понижающий синхронный DC/DC-преобразователь и содержит пять силовых модулей EPC9205, включенных параллельно. Для управления силовыми полумостами отдельных модулей используется контроллер dsPIC33EP128GS704 от Microchip. В качестве аналогичного варианта может использоваться контроллер TPS53632G от Texas Instruments. Кроме управления транзисторами контроллер выполняет мониторинг входного напряжения. Для повышения уровня безопасности на плате присутствует датчик тока LT6105 от Analog Devices и датчик температуры TC1047A от Microchip.

Блок-схема EPC9130 содержит пять силовых модулей EPC9205

Рис. 9. Блок-схема EPC9130 содержит пять силовых модулей EPC9205

КПД DC/DC-преобразователя 48/12 В с частотой коммутаций 500 кГц на базе EPC9130 достигает пикового значения при 40 А и составляет около 96% (рис. 10).

КПД DC/DC-преобразователя 48/12 В с частотой коммутаций 500 кГц на базе EPC9130

Рис. 10. КПД DC/DC-преобразователя 48/12 В с частотой коммутаций 500 кГц на базе EPC9130

Эффективность EPC9130 обеспечивается высоким КПД модулей EPC9205. Малые потери в свою очередь упрощают решение проблемы по отводу тепла. Как и при индивидуальной работе EPC9205, нагрев силовых транзисторов пятифазного DC/DC-преобразователя не превышает 100°С при максимальной нагрузке 50 А (рис. 11).

Перегрев силовых транзисторов не превышает 100°С при максимальной нагрузке 50 А

Рис. 11. Перегрев силовых транзисторов не превышает 100°С при максимальной нагрузке 50 А

Заключение

В статье были кратко рассмотрены преимущества использования eGaN-транзисторов при построении компактных и эффективных POL-источников питания. Высокая эффективность, малое тепловыделение и минимальные габариты таких источников делают их чрезвычайно привлекательными для широкого спектра приложений, в том числе для телекоммуникационного и промышленного оборудования.

В качестве конкретного примера в статье был рассмотрено построение DC/DC-преобразователя 48/12 В с выходным током 10 А и КПД 96% на базе силового модуля EPC9205. Кроме того, был рассмотрен пример построения DC/DC-преобразователя 48/12 В с выходным током до 50 А и КПД 96% на базе оценочной платы EPC9130.

Характеристики транзистора EPC2045:

  • Рейтинг напряжения сток-исток: 100 В;
  • Постоянный ток: 16 А;
  • Импульсный ток: 130 А;
  • Пороговое напряжение: 0,8…2,5 В;
  • Сопротивление открытого канала: 5,6 мОм (типовое);
  • Диапазонрабочихтемператур: −40…150 °C;
  • Корпусное исполнение: 2,5 x1,5 мм.
Производитель: Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
EPC2045ENGRCT
EPC2045ENGRCT
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 2286524 ИНФО PDF RD DT
Поиск
предложений
Силовой ключ с рейтингом напряжения 100 В и сопротивлением канала 7 мОм
EPC2045ENGRCT
-
Поиск
предложений
EPC2045ENGRTR
EPC2045ENGRTR
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 2286525 ИНФО PDF RD DT
Поиск
предложений
Силовой ключ с рейтингом напряжения 100 В и сопротивлением канала 7 мОм
EPC2045ENGRTR
-
Поиск
предложений
EPC9205
EPC9205
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 3086920 ИНФО AN
Поиск
предложений
Силовой модуль EPC9205 построен по схеме синхронного понижающего преобразователя на базе транзисторов EPC2045 и имеет габаритные размеры всего 22 х с13,5 мм.
EPC9205
-
Поиск
предложений
EPC9130
EPC9130
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 3086924 ИНФО AN
Поиск
предложений
Оценочная плата EPC9130 позволяет работать с выходным током до 50 А и мощностью до 700 Вт.
EPC9130
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()